增材制造设计：3D 打印的最佳实践（上）-马路科技

使用 3D 打印设计定制的解决方案对于想要创建和优化 DIY 项目的 3D 打印爱好者来说有着无限可能。 同时，不只是个人，当您拥有大幅面 BigRep 打印机时，增材制造 (AM) 的优势在工业规模上也呈指数级增长。

除了设计自由之外，3D 打印机还有着定制成本低、迭代快、加速上市时间、减少材料浪费以及避免复杂的物流和供应链等额外好处。 然而，并非所有设计都适合增材制造。 正确的认识3D打印适合的设计在充分利用打印机上至关重要，尤其是在最早的设计和概念化阶段。 这就是增材制造设计 (DfAM) 促使项目成功或延缓项目上线的地方。

BIGREP打印出的零部件

增材制造 (AM) 是通过构建层数来创建对象的过程。它与减材制造相反，在减材制造中，物体是通过切割固体材料块来完成最终产品的，例如 CNC 加工。 虽然这些术语经常互换使用，但最常见的增材制造形式是 3D 打印。 DfAM 是一种专门为增材制造设计零件的方法，增材制造具有不同于注塑成型或铸造等其他常见制造工艺的独特要求。DfAM与传统设计之间的关键区别在于，DfAM 原则指导设计人员充分利用 3D 打印的独特功能，同时通过智能解决方案避免其某些限制。

本指南将解释使设计非常适合 3D 打印的一些因素，此外还将介绍 DfAM 原则，以便您可以最大限度地提高 3D 打印效果。

了解 DfAM 对于获得成功、可重复和可扩展的结果并最大限度地发挥 3D 打印能力至关重要。 您将从遵循 DfAM 指南中得到什么？

降低材料和零件成本：通过实施 DfAM 原则，可以避免不必要的支撑，从而减少材料并降低打印成本。 通过使用创成式设计软件和 AI，可以设计零件以最大限度地减少材料使用，同时轻松满足所有必要的零件要求。

更快的打印时间：大型 3D 打印可能运行数天甚至数周！但是，当组件针对增材制造进行优化时，您可以实施最有效的打印计划，确保尽可能短的打印时间。

提高可扩展性：通过使用 DfAM 原则进行设计，设计可以在各种打印机上打印，并且无需进行重大调整即可按比例放大或缩小。 3D 打印机还可以生产连续批次的打印件，或者在某些情况下，可以并行打印，从而大大加快生产每个零件所需的时间。

提高零件强度：利用增材制造设计原则，您可以提高 3D 打印的强度，此外您还可以改变零件重量、柔韧性等因素。 具有衍生式设计功能的 CAD 软件使用算法来生成满足强度和性能要求的几何形状。

增材制造的设计带来许多整体优势，但设计选择将受到 3D 打印技术类型的影响。 然而，无论采用何种 3D 打印技术，DfAM 最佳实践都将帮助您减少材料使用和打印时间、整合部件并优化拓扑结构和性能。

在开始设计 3D 打印之前，您必须了解可用的不同类型的打印工艺流程。最流行的 3D 打印工艺包括 FFF（通常也称为商标术语 FDM）、SLA 和 SLS。

FFF（熔丝制造）3D 打印：由沉积在构建平台上的熔化塑料层组成。塑料以缠绕的细丝形式通过加热的喷嘴送入，喷嘴将会软化材料并将其挤出成细流。然后打印机根据打印模型的设计规范放置熔化的塑料。每完成一层，大幅面 FFF 3D 打印机的挤出机将在 Z 轴上向上移动一层高度，另一层沉积在顶部。 对于一些较小的桌面打印机，构建平台会降低一层高度以打印下一层。 这个过程一直持续到模型完成。桌面 FFF 3D 打印机相对简单且价格低廉，使其成为爱好者和家庭用户中最受欢迎的 3D 打印机类型之一。

然而，大幅面和专业的 FFF 机器可以产生高质量的结果，使其成为专业和工业应用的可行选择。任何 FFF 3D 打印机都需要为悬垂角度和跨接距离超出限制的零件提供支撑结构。根据 FFF 3D 打印机的型号，最小壁厚、层高和其他设置会有所不同。 FFF 3D 打印机可以打印多种材料，但几乎所有的细丝都是某种类型的聚合物，其中还可能包含纤维、金属、木材或其他添加剂。一些 FFF 打印机可以使用水溶性材料打印支撑结构，然后将其溶解在水中以便于去除。

SLA（立体光刻）3D打印：使用紫外 (UV) 光一次固化一层光敏树脂。随着每一层的打印，正在进行的打印的树脂桶会降低一层厚度。 SLA 打印可能需要一些支撑结构，这与 FFF 支撑略有不同，并且在水溶性材料中不可用。 SLA 打印件通常需要在打印后进行清洁去除残留的未固化树脂。

SLS（选择性激光烧结）3D打印：使用激光逐层融合粉末材料以创建 3D 物体。每打印一层后，粉末床会降低一层厚度，以便可以在上面烧结另一层。 SLS 打印件不需要支撑结构，因为打印件在打印过程中被未烧结的粉末包围。 完成的 SLS 打印通常需要清洁，有时需要使用专用机器，以去除 3D 打印部件上的松散粉末。

BIGREP PRO 工业级3D打印机

在为增材制造设计 3D 模型时，考虑所需材料的数量和生产成品所需的时间很重要。减少材料使用可以降低整体生产成本并加快制造过程。您可以通过以下方式最大限度地减少材料：

减少模型中的表面细节：大多数 3D 打印软件都有用于减少 3D 模型中的表面细节的特定工具。

调整切片器设置：您可以减少填充百分比、墙壁数量等。

重新定向零件：通过优化零件方向减少打印时间、材料使用和支持要求。

3D 打印的一个好处是，传统上需要单独生产然后组装的部件可以作为一个单一的、合并的部件进行 3D 打印。这样您可以减少打印时间、提高生产速度、减少装配时间并增强零件强度。零件合并可能只有 3D 打印零件才有可能，通过使用 DfAM 指南，您可以最大限度地利用增材制造的好处。 零件合并的好处包括：

• 将多个零件组合在一起，减少需要制造的零件总数
• 减少制造每个零件所需的时间
• 减少制造过程中产生的废料
• 通过降低内应力提高最终零件的机械性能

拓扑优化原则旨在使用最少量的材料来满足给定的性能要求，同时最大限度地减少组件的重量。首先，您必须指定机械性能要求（例如刚度或强度）和设计约束（例如最大允许应力或位移）。 一些 CAD 软件可以模拟您的零件在不同负载下的响应方式。根据分析结果，您可以自动调整各种设计参数，直到找到最佳解决方案。

拓扑优化可以提高组件的强度、刚度或重量，并降低制造成本。它通常与有限元分析 (FEA) 一起使用，以评估设计变更对组件性能的影响。 然后可以使用结果来创建更高效和有效的新设计。

BIGREP打印出的汽车零部件

马路科技（RATC）成立于1996年，是以三维测量、三维扫描、逆向工程以及三维打印等先进技术为导向的科技公司，客户主要来自汽车、航空航天以及消费品等产业。马路科技共有八个服务点，有超过200名专家提供在地专业技术支持及服务。